手機心電圖機的研究進展

賈孟哲，畢訊，閆慶峰

海南醫(yī)學院第一附屬醫(yī)院 a.普通外科；b.心臟外科，海南 ?？?570102

引言

隨著人們衣食住行水平的提高，高鹽、高糖、高脂飲食及工作生活壓力使心血管病發(fā)病率與死亡率迅速攀升?！吨袊难懿蟾?018》指出，我國約2.9億人患心血管病,死亡率為各種疾病首位[1]。心血管疾病已成為威脅構(gòu)建人類衛(wèi)生健康共同體的危險因素之一[2]，也是全球醫(yī)學界的難題。心電圖機是對心血管疾病早期篩查與檢測的有效手段[3]，對降低心血管疾病的死亡率有重要價值。醫(yī)院普遍使用的是常規(guī)心電圖機和Holter心電圖機，這兩種心電設備發(fā)展成熟，但存在的問題也愈加明顯。常規(guī)心電圖機體積大、攜帶困難，仍然采取導線連接，其探頭需要涂電導液，操作過程復雜，很難實現(xiàn)對心血管疾病突發(fā)患者的及時檢測，而且在此過程中患者處于被動地位，只能等醫(yī)生做心電圖，這樣有可能延誤搶救時機，導致患者死亡率的增加。Holter監(jiān)護儀只能做到連續(xù)監(jiān)測1～2 d，原因是凝膠濕電極不適合長期與皮膚接觸，容易引起皮膚紅腫等過敏反應，電極片易皺、易脫落，各種導線纏在身上，非常不便。再加上近期新型冠狀病毒肺炎疫情已在全世界蔓延[4]，新冠肺炎也會造成患者的心臟損傷，方艙醫(yī)院的隔離患者也需要一種新型的便攜式心電圖機。

近年來，隨著智能手機普及和人工智能（Artificial Intelligence，AI）的發(fā)展[5]，手機心電圖機受到廣泛關注。它利用AI技術(shù)預測疾病風險并協(xié)助臨床診斷，提高診斷效率[6-7]。其中深度學習技術(shù)提高了心電監(jiān)測水平[8]。它的長程連續(xù)監(jiān)測也對構(gòu)建心臟疾病的預警模型提供了幫助[9]。若手機心電圖機能像體溫計一樣走進千家萬戶，那么就能解決醫(yī)療資源如醫(yī)用心電圖機不能解決的問題[10]。此外，手機心電圖機的隔離功能對居家隔離、傳染病院及方艙醫(yī)院的監(jiān)護有重大意義。

1 手機心電圖機

1.1 基本概念

便攜式手機心電圖機是一種面向大眾，預防和診斷心臟疾病的重要儀器, 它具有便攜式、傻瓜式操作等特點，能夠及時對ECG信號進行采集、存儲、處理、人工智能分析、上傳和下載[11-12]。

典型的手機心電圖機的工作原理如圖1所示，病人戶外或家中發(fā)病時，及時拿出手機心電圖機檢測心電，然后上傳云端進行AI初步診斷，再由后臺專家再次診斷。若診斷心臟疾病，后臺系統(tǒng)自動向急救中心報警，急救中心可及時收到診斷，縮短了病人的搶救時間。用戶、手機心電圖機、醫(yī)院、醫(yī)生，形成良好的四方交互，還可進一步建立個體化心電云端數(shù)據(jù)庫,實現(xiàn)疾病的篩查、早期診斷及動態(tài)跟蹤管理[13-14]。

圖1 手機心電圖機的治療流程

1.2 發(fā)展歷程

1902年，荷蘭生理學家Einthoven發(fā)明了弦線電流計，并用它記錄到清晰的心電波形，又在1908年將其改進為弦線式心電圖機，Einthoven也因為對心電圖學的開創(chuàng)性工作于1924年被授予諾貝爾生理學和醫(yī)學獎[15-16]，從此Einthoven被稱為“心電圖之父”。這是第一代心電圖機。

隨著人們對心臟疾病的認識，有些疾病須要連續(xù)長程檢測心電。美國生物物理學家Holter在1961年發(fā)明出一種便攜式心電監(jiān)測裝置，它可以記錄長達數(shù)十小時的心電數(shù)據(jù)，這使在院外記錄心電圖成為了可能[17-18]。第二代心電圖機就此誕生。

進入21世紀，基于智能手機與互聯(lián)網(wǎng)的普及，科學家開始研制手機心電圖機[19]。2013年，中國赫米茲（Humeds）公司研發(fā)了CARDEA-3手機心電圖機。它通過了國際SIQ認證、中國CMA檢驗，融合了三導聯(lián)、干電極、無線傳輸、云系統(tǒng)、人工智能AI等技術(shù)，實現(xiàn)了連續(xù)150 h的長程監(jiān)測，相較于一二代心電圖機，手機心電圖機的優(yōu)勢更加明顯[20]。心電圖機大致經(jīng)歷了以上3代變化，詳見圖2。表1為3代心電設備典型特征對比。

圖2 心電發(fā)展中3代典型設備

表1 3代心電設備典型特征對比

2 核心技術(shù)

2.1 無線性

如圖3所示，目前國內(nèi)外大多數(shù)心電圖機仍然是導線連接，探頭需涂導電液，不是無線心電圖機[21]。我們的Humeds手機心電圖機運用無線傳輸方式，操作便捷，適用范圍廣，可在任何時候，任何環(huán)境包括沒有GPRS信號及Wi-Fi網(wǎng)絡的情況下記錄心電圖，滿足了國內(nèi)外個人、家庭、社區(qū)、醫(yī)院的需求。

圖3 需要導電膠、導電液

2.2 干電極

電極是心電圖機的一種重要元件。目前臨床上常用Ag/AgCl濕電極，需涂導電膠與皮膚接觸,可暫時獲取穩(wěn)定的信號波形[22]。但是導電膠使用數(shù)小時后會風干凝固，易脫落；另外，導電膠與皮膚較長時間的接觸，可能引起皮膚過敏。此外，若患者急救時，涂抹導電膠浪費的時間會大大增加患者的死亡率。因此，傳統(tǒng)的濕性電極并不是最優(yōu)選擇。

Humeds團隊根據(jù)圓盤電極、紐扣電極、干電極的特點，發(fā)明了肢體電極、胸導聯(lián)電極集一身的具有特色的心電圖檢測用氧化銀干電極。用ABS塑料塑性圓盤紐扣電極，電鍍氧化銀，克服了成本高和耐磨性差的缺點，詳見圖4。這種干電極利用了固態(tài)技術(shù)，將放大器與電極組合，使用時無需導電膏且波形穩(wěn)定。

圖4 氧化銀干電極

圖5是干、濕電極對應的電極-皮膚等效電路模型[23]。兩者等效模型的主要不同點在于電極和表皮之間的介質(zhì)：濕性電極為導電膏凝膠，而干性電極則為空氣間隙。對于濕性電極，凝膠在一定時間之內(nèi)未風干前保持恒定阻值R1；對于干性電極，空氣間隙可以等同于接觸阻抗R1與接觸電容Ct的并聯(lián)。因此，干電極的接觸阻抗一般更大。

圖5 干電極與濕電極等效電路模型的對比

2.3 技術(shù)指標

圖6是Humeds手機心電圖機的實拍圖。它的通道數(shù)是3個，機身有四個氧化銀干電極，使用時將之放在心窩正中，四個電極與皮膚緊貼；它能夠響應和顯示幅度峰值為6 mV、變化率為125 mV/min的差分信號；手機心電圖機的耐極化電壓為±300 mV；對于10 Hz正弦波信號，它的輸入阻抗大于10 MΩ；靈敏度誤差為±5%；定標電壓是1 mV±5%；在1～40 Hz，≤±3 dB的頻率可響應；共模抑制比大于60 db；心率檢測范圍是30～240 bpm；心率分辨率為1 bpm；心率檢測精度：±2 bpm或±2%(兩者取大值)。

圖6 Humeds手機心電圖機

2.4 心電導聯(lián)

心電導聯(lián)是指采集心電信號時電極在體表放置的部位及電極與設備的連接線路。臨床常用的標準12導聯(lián)心電包括3個雙極肢體導聯(lián)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，3個單極加壓肢體導聯(lián)aVL、aVR、aVF和6個單極胸導聯(lián)V1～V6[24]。不同導聯(lián)功能不同，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ導聯(lián)適用于診斷左前分支傳導阻滯等心律失常；Ⅱ、Ⅲ、aVF導聯(lián)適合探測非特異性ST、T段的改變，對心絞痛、冠心病等判斷具有一定價值[25]；aVR導聯(lián)可判斷竇性心律、心室肥大、陣發(fā)性室上性心動過速、室性心動過速等[26]。目前常見的手機心電圖機主要有單導聯(lián)、三導聯(lián)和十二導聯(lián)系統(tǒng)。Humeds手機心電圖機是單次三導聯(lián)，比單導聯(lián)設備獲得的信息更為豐富，比十二導聯(lián)設備更加便捷，可分析大部分的心律失常。它可分別測量V1～V9導聯(lián)和肢體導聯(lián)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，測量比較全面，可以完成心臟的三維立體定位，診斷簡單明了。

2.5 傳輸與儲存

手機心電圖機的通訊接口有多種，一般分成有線傳輸和無線傳輸兩類。有線傳輸是相對老舊的傳輸方法，較為繁瑣，現(xiàn)在幾乎不使用[27]。

無線傳輸可分為兩類：短距離無線傳輸與長距離無線傳輸。短距離無線傳輸以前是通過調(diào)頻發(fā)射電路將信號發(fā)至接收端。接收端再通過互聯(lián)網(wǎng)把ECG數(shù)據(jù)上傳給醫(yī)院。遠距離無線傳輸是通過GPRS及4G、5G無線通信模塊把ECG數(shù)據(jù)傳輸給醫(yī)院[28]。

隨著科技與網(wǎng)絡的飛速發(fā)展，手機心電圖機的藍牙、GPRS網(wǎng)絡、Wi-Fi傳輸已成為時代的主流。Humeds手機心電圖機的傳輸方式也緊隨時代的潮流。它的監(jiān)護系統(tǒng)由手機終端、醫(yī)院監(jiān)護中心服務器和人工智能平臺支持三部分組成[29]。手機端的數(shù)據(jù)通過GPRS或Wi-Fi傳輸AI平臺進行初步診斷，有心臟疾病預兆的還會向醫(yī)院服務器發(fā)送預警及心電圖，院內(nèi)醫(yī)生即可接診及開立醫(yī)囑[30]。

儲存方面，手機心電圖的儲存方式已逐漸從儲存卡過渡為云端儲存。Humeds團隊成功研制出了無限容量云端心電圖數(shù)據(jù)庫，使用Humeds手機心電圖機時，除了可在手機APP中儲存500條心電記錄之外，還可將心電圖上傳到云端，且沒有長度和條數(shù)的限制，可以隨時上傳、下載、分享，實現(xiàn)了疾病的篩查、早期診斷、動態(tài)跟蹤管理及宏觀調(diào)控，是使用者一生的守護，也是未來社區(qū)健康管理的堅實基礎。

2.6 AI

隨著近些年人工智能的大力發(fā)展，手機心電圖機的AI智能診斷及on-chip端的數(shù)據(jù)實時處理已成為當下發(fā)展的趨勢[31-32]。Humeds團隊制作的AI診斷系統(tǒng)可應用MIT-BIH心電數(shù)據(jù)庫和深度學習人工智能技術(shù)迅速自動分析診斷出心律失常等數(shù)十種心臟疾病信息。如今，Humeds手機心電圖機已經(jīng)利用AI系統(tǒng)進行房顫二分類（房顫，非房顫）診斷，通過MIT-BIH Atrial Fibrillation Database數(shù)據(jù)庫以及小波變換+卷積神經(jīng)網(wǎng)絡算法，平均準確率已經(jīng)高達99%。對于房顫四分類[正常，房顫，其他疾?。ǚ欠款潱?，噪聲]，AI診斷的平均準確率現(xiàn)在還在評估中[33]。表2對國內(nèi)外目前便攜式心電圖機的技術(shù)情況做了比較，這些設備在AI診斷方面還存在很多本質(zhì)的差異。

表2 國內(nèi)外便攜式心電圖機對比

3 手機心電圖機與心臟急救的聯(lián)系

3.1 心臟急救應用

心臟病發(fā)病具有突發(fā)性和易過性特點。心臟病患者（尤其是早期）發(fā)病時常常不在醫(yī)院，記錄不到當時的心電圖，從而難以檢測出病因[34]。因此一部可隨身攜帶、隨時檢測的手機心電圖機，會對心臟病人的急救提供很大的幫助。比如Humeds手機心電圖機，它開機且連接手機藍牙需要5 s，放在測量位置需要1 s，發(fā)病6 s就可測心電圖，這對患者的急救相當重要，甚至因為這幾秒鐘就可以挽救患者的生命。它的長程監(jiān)測可長達150 h，對患者心臟疾病的預防也是一個保障。手機心電圖機適合院外、社區(qū)、家庭、個人急救使用，若它能像溫度計一樣普及到千家萬戶，那么心臟病的搶救成功率將會大大提高[35]。

如今，人們的工作壓力增加、飲食不規(guī)律、缺乏運動，很容易誘發(fā)心臟疾病，如心律失常、房顫、心梗等。如果在院外發(fā)病，人們很容易忽視心臟病的前兆癥狀，久而久之，心臟疾病最終會爆發(fā)。如果能給每個家庭普及一臺便攜式手機心電圖機，讓人們出現(xiàn)癥狀時及時給自己進行一次心電圖篩查，那么心臟病的早期診斷率將會明顯增高，死亡率會隨之降低。

3.2 傳染病隔離應用

2019年12月以來，我國新冠肺炎疫情爆發(fā)，嚴重威脅廣大人民生命安全和身體健康[36-37]，新冠肺炎疑似病例及確診病例需要隔離觀察。其中輕癥患者常因氣促、發(fā)熱、心悸等癥狀需要及時鑒別心臟疾病，醫(yī)護人員推著笨重的傳統(tǒng)心電圖機來回穿梭，非常不便。Humeds手機心電圖機解決了新冠肺炎病人心電監(jiān)護的難題，它操作方便，經(jīng)過培訓的成人患者可自我檢查，非常適合隔離狀態(tài)下使用。每位隔離患者一人一機，自測后上傳信息，由醫(yī)生進行結(jié)果判讀、診斷，避免接觸性感染。心內(nèi)科醫(yī)生甚至可以在家利用手機或電腦幫助監(jiān)護診斷，不用去隔離現(xiàn)場就可完成，是隔離型心電監(jiān)護的上乘之策。手機心電圖機是建立方艙醫(yī)院、傳染病院的理想設備及平臺。新冠肺炎的心臟監(jiān)護，需要發(fā)動群眾，群策群力，利用先進的科學技術(shù)阻斷傳播途徑，即使以后又有新的傳染病，手機心電圖機依然可完成隔離式監(jiān)護，為今后的傳染病防治工作以及習近平總書記提倡的人類衛(wèi)生健康共同體奠定了基礎。

4 總結(jié)與展望

手機心電圖機研發(fā)的不斷進步與完善，是中國心血管疾病患者的最大福音。尤其是在農(nóng)村基層，醫(yī)療設備嚴重缺乏的地方，手機心電圖機的普及能很大程度上改善我國心血管疾病死亡率逐年增高的狀況，為廣大人民提供了健康保障。Humeds手機心電圖機已解決了干電極、5G無線傳輸、無限容量云端儲存、人工智能AI實時分析、遠程專家世界會診以及重大傳染病疫情隔離式監(jiān)護等問題。歐美等發(fā)達國家已經(jīng)建立了主要針對西方人類的心電數(shù)據(jù)庫，例如MIT-BIH數(shù)據(jù)庫等，而我國心電數(shù)據(jù)庫的研究起步相對較晚，盡管有研究機構(gòu)、學者嘗試過建立心電數(shù)據(jù)庫，但大多是小樣本數(shù)據(jù),缺少嚴謹?shù)目茖W設計以及廣泛的樣本代表性，導致我國手機心電圖機仍然在使用西方人的數(shù)據(jù)庫。研究建立開源、標準的適用于中國人群的便攜式手機心電數(shù)據(jù)庫，對于手機心電圖機的臨床應用及普及有著十分重要的意義。此外，在未來，手機心電圖機有望將血氧飽和度、體溫、血糖、呼吸和血壓等參數(shù)也囊括進來，成為家用多功能手機監(jiān)護儀。隨著手機心電圖機的作用愈發(fā)重要，它將為構(gòu)建精準的人工智能醫(yī)療模式做出巨大貢獻，也為共同構(gòu)建人類衛(wèi)生健康共同體打下堅實的基礎。